75 yıllık bir materyal gizeminin çözümü, günün birinde, gelişmekte olan ülkelerdeki çiftçilerin talepleri üzerine, hava ve güneşten gelen nitrojeni kullanarak kendi gübrelerini üretmelerine izin verebilir.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarında özel bir X-ışını kaynağı sayesinde, Gürcistan Teknoloji Enstitüsü’deki araştırmacılar, ışığın varlığında titanyum olarak da bilinen bir fotoaktif materyal olan nitrojen ve titanyum dioksit (TiO2) arasında uzun süren hipotezlenmiş bir etkileşimin varlığını doğruladılar. Katalitik reaksiyonun titanyum dioksit üzerinde kirletici olarak bulunan karbon atomlarını kullanacağına inanılmaktadır.
Azot fiksasyon reaksiyonu ölçeklendirilebilirse, günün birinde, sermayenin yoğun olduğu merkezi üretim tesislerine bağımlılığı azaltabilecek, temiz tarım-ölçekli gübre üretimine ve dünyanın izole alanlarında çiftçiler için maliyetli olan dağıtım sistemlerine yardımcı olabilir. Dünyadaki gübrenin çoğu artık büyük miktarda doğal gaz gerektiren Haber-Bosch prosesi tarafından üretilen amonyak kullanılarak yapılmaktadır.
Georgia Tech Woodruff Makine Mühendisliği Okulu’nda Yardımcı Doçent olan Marta Hatzell: “ABD’de gübre için mükemmel bir üretim ve dağıtım sistemine sahibiz. Ancak, pek çok ülke Haber-Bosch tesislerini kurmayı başaramıyor. Gübre ithal etmek için yeterli ulaşım altyapısına bile sahip değil. Bu bölgeler için fotokatalitik Azot fiksasyonu, talep üzerine gübre üretimi için yararlı olabilir. Sonuç olarak, bu, gübre bazlı besin maddelerini daha geniş bir çiftçi kitlesine sunabilecek düşük maliyetli bir süreç olabilir.”
Titanya ve Amonyak
Hatzell ve Georgia Tech Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü’nde Yardımcı Doçent olan meslektaşı Andrew Medford, reaksiyon sürecinin potansiyel etkilerini incelemek için Uluslararası Gübre Geliştirme Merkezi’ndeki (IFDC) bilim insanlarıyla çalışıyor.
Araştırma, iki yıldan daha uzun bir süre önce, Hatzell ve Medford’un, ışığa maruz kalan kompostdan salınan amonyakta bir artış gözlemlediğini bildiren bir Hintli toprak bilimcisi olan Seshacharyulu Dhar tarafından yayınlanan bir 1941 tarihli makaleyle ortaya çıkan bir materyal gizemi üzerinde işbirliği yapmasıyla başladı. Dhar, komposttaki minerallerle fotokatalitik reaksiyonun amonyaktan sorumlu olabileceğini öne sürdü.
Bu makaleden beri, diğer araştırmacılar titanya ve amonyak üretimi üzerinde azot fiksasyonu bildirmişlerdir, ancak sonuçlar deneysel olarak tutarlı bir şekilde doğrulanmamıştır.
Bir teorisyen olan Medford, ek reaksiyonlar kullanarak potansiyel olarak amonyak oluşturmak için titanya üzerinde nitrojeni düzeltmek ve gerekli kimyasal yolları modellemek için yüksek lisans araştırma asistanı Benjamin Comer ile çalıştı. Hesaplamalar, önerilen sürecin saf titanya için son derece olası olmadığını ve araştırmacıların gizemli süreci incelemek için kullanmayı teklif ettikleri bir hibe kazanmayı başaramadıklarını ileri sürdü. Bununla birlikte, ABD Enerji Bakanlığı’nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki Gelişmiş Işık Kaynağı üzerinde deneysel zaman kazandı. Bu da son olarak hipotezin anahtar bir bileşenini test etmelerini sağladı.
Laboratuardaki uzman ekipman, Hatzell ve yüksek lisans öğrencisi Yu-Hsuan Liu’nun titanyum yüzeyini azot, su ve oksijenin karanlıkta ve ortamdaki çevre basıncına yakın yüzeyler ile etkileşime girmesi için X-ışını fotoelektron spektroskopisini (XPS) kullanmasına izin verdi. İlk olarak, araştırmacılar fotokimyasal nitrojen fiksasyonu görmedi. Ancak deneyler devam ettikçe, mineraller yüzeyine ışık yönlendirildiğinde azot ve titanya arasında eşsiz bir etkileşim gözlemlediler.
Hidrokarbon Kontaminasyon Hipotezi
Hatzell ve Medford, karbon ile yüzey kirliliğinin (muhtemelen bir hidrokarbondan) titanya üzerinde azot azaltma için katalitik sürecin gerekli bir parçası olduğuna inanmaktadır. Hatzell: “Testten önce, numuneler neredeyse tüm iz karbonu yüzeyden ayırmak için temizlenir, bununla birlikte, deneyler sırasında çeşitli kaynaklardan (gazlar ve vakum odası) numunenin üzerine az miktarda karbon geri verebilir. Gözlemlediğimiz şey, azotlu türlerin sadece numune üzerinde bir dereceye kadar karbon bulunması durumunda tespit edildi.”
Hidrokarbon kontaminasyon hipotezi, önceki araştırmaların neden sonuçsuz kaldığını açıklayacaktır. Titanyumdaki eser seviyelerinde karbon daima mevcuttur. Ancak doğru miktar ve tip elde etmek hipotez reaksiyon çalışmalarının yapılması için anahtar olabilir.
Medford: “Bunun, literatürde bildirilen şaşırtıcı sonuçları açıkladığını düşünüyoruz. Bu 75 yıllık esrarı kullanarak yeni katalizörlerin nasıl tasarlanacağının içyüzünü anlayabileceğimizi umuyoruz. Çoğu zaman en iyi katalizörler çok el değmemiş ve temiz bir odada yapılan malzemelerdir. Burada tam tersi var; bu reaksiyon aslında tarımda sürdürülebilir uygulamalar için faydalı olabilecek safsızlıklara ihtiyaç duyuyor.”
Araştırmacılar, Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’nda (PNNL) yapılacak olan testlerle karbonun rolünü deneysel olarak doğrulamayı umuyorlar. Bu, onların fotokatalitik azot fiksasyonu işlemi sırasında karbonu doğrudan problamasına izin verecek. Ayrıca, katalitik mekanizma hakkında daha fazla şey öğrenmeyi arzu ediyorlar, böylece verimliliğin artırılması için reaksiyonu daha iyi kontrol edebilirler, ki bu da şu anda yüzde birden daha azdır.
Karbonun Fotokatalitik Nitrojen Fiksasyon İşlemi
Dergide yayınlanan araştırmada amonyak ölçülmemiştir. Ancak Hatzell ve öğrencileri laboratuvar ölçeğinde testlerden beri tespit etmişlerdir. Amonyak şu an düşük seviyelerde üretildiğinden, araştırmacılar amonyak bazlı kontaminasyondan kaçınmak için önlem almak zorundaydılar. Medford: “Ekipmanlarda kullanılan bantlar bile ölçümleri etkileyebilecek küçük miktarlarda amonyak oluşturabilir.”
Halen reaksiyonla üretilen amonyak miktarları düşük olmasına rağmen, Hatzell ve Medford, işlem iyileştirmeleri ile yerinde gübre üretiminin iyi huylu koşullar altında avantajlarının, bu sınırlamanın üstesinden gelebileceğine inanmaktadır.
Medford: “Bu ilk bakışta gülünç gelse de, Aslında problemin ihtiyacına bakarsanız ve havadaki güneş ışığı ve azotun ücretsiz olduğu gerçeği, maliyete göre daha ilginç görünmeye başlar. Bir çiftlikte yeterli kapasiteye sahip küçük ölçekli bir amonyak üretim tesisi işletebilirseniz hemen bir fark yaratmış olursunuz”
Hatzell, son teknoloji yüzey bilimine nihayet gizemle ilgili bir açıklama getirdi: “Daha önceki araştırmacılar buna baktığından beri, ölçüm ve yüzey bilimi alanında önemli ilerlemeler kaydedildi. Yüzey bilim ölçümlerinin çoğu, araştırmayı amaçladığınız katalitik ortamı taklit etmeyen ultra yüksek vakum koşullarının kullanılmasını gerektiriyor. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki çevre basıncına yakın XPS, bu tepkiyi kendi doğal ortamında gözlemlemek için bir adım daha atmamıza izin verdi. “